大自然的小驚奇

──解開RNA編訂之謎

每當科學家自認已掌握生命部分的奧祕時，大自然往往又會回應一些小小的「驚奇」，讓科學家再忙著給這些例外尋求解答。遺傳訊息的儲存與轉譯就是這樣一個典型的例子！

從1953年華生與柯立克提出DNA雙螺旋的模式後，遺傳密碼從DNA轉錄（transcription）到RNA，再轉譯（translation）成蛋白質幾乎成了分子生物學中的金科玉律。換句話說，決定蛋白質胺基酸序列的訊息可以從mRNA的核序列推出，而mRNA的核序列則完全由DNA上的核序列決定！但是1980年代初期，荷蘭阿姆斯特丹大學的Benne教授，研究造成非洲昏睡病的寄生蟲（Trypanosome）的基因時，碰到了一些困擾。

原來當好幾個實驗室把Trypanosome粒線體內的基因完全定序後，發現這些核序列可以決定一些粒線體內製造的蛋白質。這個發現當然不足為奇，但是當大家比較其中一個蛋白與人或酵母菌蛋白的關係時，發現昏睡蟲的粒線體基因所作出來的蛋白，前面170個胺基酸序列都有模有樣，與人或酵母蛋白十分類似，但170個胺基酸以後的序列則亂七八糟，很明顯地是昏睡蟲的基因在170個胺基酸處帶了一個「移碼」（frame shift）的突變。理論上來說，這時昏睡蟲的基因就不能作出一個有功能的蛋白，但這似乎又是昏睡蟲粒線體中唯一可用的基因。

面對這樣的困惑，Benne決定看看這個基因作出來的mRNA上的核序列是怎麼樣的。不比還好，一比之下Benne發現：mRNA在「移碼」的位置前後多了4個核，這一來作出來的蛋白在170個胺基酸後就可恢復了正常的秩序。這樣解決了移碼的難題，卻引來一個更大的困惑：mRNA上的這4個核不存在於DNA的序列中，它們從何而來？

Benne教授對此一意外的結果，直覺的反應就是學生作錯了！經過不同的人，許多次的重複，Benne教授終於相信自己發現了自然界所顯示的一點小驚奇：負責製造蛋白質的mRNA上的遺傳訊息不必全然來自DNA！類似的結果，幾乎同時也由加州大學的Simpson和西雅圖生物醫學研究所的Stuart教授發現。於是大家把這個現象叫作RNA的「編訂」（edition）。換言之，DNA上的遺傳訊息轉錄到mRNA上以後，至少在這些寄生蟲體內，還得經過特別的「編訂」後，才能作出正確的蛋白質來！RNA的編訂在某些特殊的例子甚至高達60％之多，像Stuart教授發現的一個mRNA，就是從DNA轉錄出的mRNA中再加進去550個與刪除原有的41個尿核而來（見圖一）。接下來的問題是：誰來指揮那些尿核要加在那裡？而mRNA中那些尿核必須剔除？

由於RNA「編訂」的工作非常精確，只有在特定位置加進尿核或是特定的尿核被剔除，因此我們很難想像在生物體內，除了核的配對之外，還有什麼更好的方法來維持這種「編訂」工作的精確性。二年前Simpson教授終於提出一個怪異的想法，他推想這些昏睡蟲粒線體內的蛋白結構也許不是由一個基因，而是由好幾個小片斷的DNA來決定。於是Simpson開始在昏睡蟲粒線體的DNA上尋找，有沒有任何DNA片段帶有決定這些蛋白的核序列。

最初的搜尋都徒勞無功，直到後來Simpson放寬核配對的標準，才發現有一些大約只有三、四十個核長度的DNA，可以作出與mRNA配對的小RNA分子。Simpson認為這些小RNA分子可能帶有指示RNA編訂的資訊，因此把它們稱作「導引RNA」（guide RNA）。隨後大家在不同寄生蟲的粒線體中，都找到類似的導引RNA序列！

「導引RNA」究竟如何指導RNA的編訂呢？首先Simpson發現，在細胞裡「導引RNA」的一端會被加上一長串的尿核，所以他想編訂RNA所需要插入的尿核，可能就是由「導引RNA」提供，但接下來該怎麼作，大家就都有些茫然而不知所措了！這時候，另外有一個研究RNA具有催化活性的Cech教授，注意到「導引RNA」的作用。Cech教授因研究催化RNA的工作，在1989年獲頒諾貝爾化學獎！Cech教授認為RNA的編訂與剪裁，可能是經由相類似的程序；換言之，遺傳訊息的傳遞仍應遵循現有的法則，不應有太多例外！

Cech認為首先「導引RNA」上的核序列，利用核配對的特異性，找到尚未編訂過的mRNA的特定位置（見圖二）。接著「導引RNA」一端上的氫氧基，就會將mRNA打成兩段，其中一段會與「導引RNA」共價結合在一起。此刻被打落的另一段mRNA並未遠離。它會再利用它一端的氫氧基重新把「導引RNA-mRNA複合體」打開，回復到原先的結構。就在這「打斷-組合」的過程中，mRNA上會多得到一個來自「導引RNA」一端的尿核。在Cech的假說裡，刪掉一個或數個尿核，相當於mRNA剪裁時，除去一個很短的插入序列，而加入尿核則是此一化學過程的逆轉罷了！

Cech教授的假說簡潔有力，美則美矣，但是否正確則仍有待證實！今年初，Simpson等人終於找到支持Cech假說的實驗證據！如果Cech的假說是對的，那麼我們在細胞中應該可以找到許多「導引RNA-mRNA」的複合體，而這些複合體結合處應有不同數目的尿核！由於這些中間產物的數量很少，所以Simpson設計了二個「引子」（primer），一個帶「導引RNA」上的核序列；另一個則帶mRNA上的序列（圖二中的），再用聚合連鎖反應（polymerase chain reaction），將這些中間產物數量巨幅放大。用這樣的策略，Simpson果真在細胞中找到一些導引RNA與mRNA的複合體（見圖三）！

Simpson的實驗結果，並不能說服所有的人相信Cech的理論。約翰霍浦金斯大學的分子生物學家B. Sollner-Webb就深不以為然，她認為未編訂的RNA剛作出來的時候，也許在添加或刪除尿核處有些特殊的二級結構，很容易被細胞裡的酵素切斷。「導引RNA」結合了這些RNA片段一方面保護這些RNA片段，另一方面也許的確作為尿核的供應者。因為「導引RNA」在RNA編訂過程中究竟扮演什麼角色，恐怕還要一段時間才能塵埃落定！

Stuart教授還發現只有當寄生蟲需要這些蛋白的時候，RNA編訂的工作才會進行。所以我們可以把RNA編訂的工作，看作細胞調節它們所需要的蛋白的一個重要機制。RNA編訂雖在植物的葉綠體及粒線體中被發現，但在哺乳動物中尚未發現確定的例子。這帶給我們二個重大的挑戰：一是演化上，這種RNA編訂的機制從何而來？另一個則是在實用上，能不能發展出一套藥物，可以抑制RNA編訂的過程，這一來不就是剋制寄生蟲最佳的利器嗎？

（參考資料：Nature, 352：283∼284, 25July 1991.）

周成功任職於榮總醫學研究部，本刊社務委員

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